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1 Manual de instrucciones- Instruction manual QLL015 Versión-Version 1/2017

MAQUINA DE WIMSHURST

WIMSHURST ELECTROSTATIC MACHINE

REF:QLL015

INDEX OF LANGUAGES- ÍNDICE DE IDIOMAS ESPAÑOL ....................................................................................................... 2

ENGLISH ...................................................................................................... 13


MAQUINA DE WIMSHURST MAQUINA DE WIMSHURST ......................................................................... 2

Elementos incluidos .................................................................................... 3

Otros elementos requeridos ....................................................................... 3

Introducción ................................................................................................ 3

Teoría ........................................................................................................... 3

Uso ............................................................................................................... 4

Utilizando el generador electrostático ........................................................ 6

DISTINTOS EXPERIMENTOS Y DEMOSTRACINOES UTILIZANDO EL

GENERADOR ................................................................................................ 7

Experimento 1: medida del potencial entre dos esferas de electrodos

de descarga ............................................................................................. 7

Experimento 2: estimación de la energía eléctrica generada por el

generador. ............................................................................................... 7

Experimento 3: Determinación de la polaridad de los electrodos del

generador. ............................................................................................... 7

Experimento 4: demostración del viento eléctrico. ................................ 8

Experimento 5: demostración de la presencia de cargas positivas y

negativas. ................................................................................................ 8

Precauciones de uso .................................................................................... 8

Accesorios adicionales ................................................................................. 9


Elementos incluidos Máquina de Wimshurst

Instrucciones

Otros elementos requeridos 1. Electroscopio

2. Tubos de descarga de gas

3. Micro amperímetro

4. Giro eléctrico

5. Vela

6. Conductor acentuado

7. Barra de ebonita o cristal

8. Paño de lana o seda

Introducción

Un generador es un aparato que produce alto voltaje, con el cual opera el

principio de inducción electrostática y se utiliza principalmente para

demostraciones electrostáticas. Esta máquina fue desarrollada por Mr.

James Wimshurst en el año 1878 y por ello tiene su nombre.

El generador puede utilizarse para varias demostraciones, para tubos de

rayos radiografía , los tubos cátodo y para muchos tipos de tubos de

descarga de gas, para detectar la llama de una vela ardiendo cerca del

punto con un potencial eléctrico alto o entre las placas de un condensador

cargado, para encender una explosión de vapor en polvo o el etanol con la

chispa de esta máquina, para conducir un motor electrostático o un

molinete, a un conjunto de campanas que consiste en un metal o bola

suspendida de un hilo aislado entre dos campanas con potencial eléctrico

opuesto, para separar una mezcla de sal y pimienta, para precipitar el humo

desde el aire….

Teoría El funcionamiento de un generador electrostático Wimshurst se basa en el

principio de electróforo. El disco tiene que ser levantado varias veces para

que se cargue eléctricamente en la superficie del disco.

En este aparato se utilizan dos juegos de conductores, que rotan en

direcciones opuestas el uno del otro. La carga eléctrica en uno de ellos es

utilizada para producir carga eléctrica en el otro. Se muestra un esquema.

Un par de platos acrílicos circulares (P y Q) los dos con el mismo diámetro,

se montan coaxialmente paralelamente al otro. Estos platos rotan en

direcciones opuestas con respecto al otro sobre el eje horizontal con ayuda

de una polea y una correa. El eje en el cual están montados los platos

también tiene dos poleas pequeñas. El eje de polea mayor tiene un mango.

Una correa de goma conecta las dos poleas grandes a las respectivas

pequeñas. Un número igual de tiras de papel de aluminio se pone

radialmente a lo largo del borde de los platos en su superficie externa. Es

muy importante que el número sea múltiplo de dos. En la figura 1, los platos

se han dibujado como dos círculos concéntricos a lo largo de las conexiones

y de los sectores de tiras de aluminio que son rectángulos negros.


Los dos alambres de metal en forma de U (C y C) con los cepillos (cable) al

final de la U están montados horizontalmente en el borde del plato, hay

una en cada plato, en total hay 4 cepillos por plato que están

continuamente rozando con las tiras de aluminio que tienen los platos en

el borde. Los cables se llenan de carga y la transfieren a la bola que tienen

los electrodos en su extremo (S y S). Los electrodos están aislados el uno

del otro y la carga acumulada se puede ver en forma de chispa entre ellos.

Los dos electrodos se pueden mover para cambiar la distancia entre ellos

moviendo su mango. La descarga entre los dos electrodos depende del

potencial eléctrico acumulado y de la separación de las esferas.

Las varillas de metal que tocan mediante el cepillo con el plato están en

cruz formando ángulos casi rectos entre ellas la varilla en forma de U (B-B)

y la recta (A-A), estas varillas funcionan como cepillos neutralizantes

distribuyendo la carga. En la base de madera, hay dos jarras de Leyden

(condensadores) (L1 y L2) dispuestas de forma vertical, la jarra está

conectada a los electrodos a través de los elevadores metálicos (H1 y H2).

La jarra de Leyden es una jarra de plástico que tiene aluminio por dentro y

por fuera, de altura más bajo que la altura de la jarra, sin cubrirla. La capa

exterior de aluminio minimiza la fuga y actúa como aislante. Estas jarras

son capaces de almacenar energía eléctrica con poca perdida y sin avería

eléctrica. Todos los contactos positivos entre las jarras de Leyden, etc….

Están unidos en un cristal acrílico transparente que sujeta el eje también

de los platos. También actúa como aislamiento eléctrico entre estos

componentes.

Uso Empieza a girar la manivela de tal forma que el plato frontal (En la figura 1,

como plato interior) gire en contra de las agujas del reloj, mientras que el

exterior rote en dirección de las agujas del reloj (la dirección de los platos

se muestra con flechas en la figura 1). Tenemos que tener en cuenta que

las tiras de aluminio están cargadas levemente algo necesario para

comenzar a utilizar la máquina. Suponemos que el metal F tiene una carga

negativa leve.

Cuando F está en la posición D, la presencia de carga negativa en este metal

inducirá carga positiva en el otro plato, justo el opuesto, el cual está en

contacto con la terminación de A. la varilla de neutralización, induce una

carga negativa en el sector de metal en contacto con los cepillos de A.

desde que el plato está en rotación continua, el contacto entre los dos


sectores en A y A a través de las varillas de neutralización, se rompe de tal

forma que se retienen las cargas eléctricas. Cuando el sector que era A llega

a E induce una carga negativa en el sector en contacto con B. induce carga

positiva en el sector en contacto con final de B de la otra varilla

neutralizante. La carga negativa inducida en B se mueve en sentido de las

agujas del reloj y llega a la posición D, repite el procedimiento rotando los

discos. Los sectores están rotando continuamente, periódicamente, rozan

con los peines o cepillos C y C transfiriéndoles toda la carga. Como

resultado, la carga negativa está en D y se pierde en C, mientras que la carga

positiva en D se pierde en C. De forma similar, el plato interior rota en

dirección contraria, la carga positiva en A se pierde en C mientras que la

carga negativa se dé A a C. esto hace que C este cargado positivamente y C

cargado negativamente. Esto continúa de tal forma que todos los sectores

se cargan, se dan distintas combinaciones de sectores que implican a todos

los sectores de ambas placas, cargándose todos por el proceso de

inducción. Gradualmente todos los sectores de la parte superior del plato

inferior adquieren carga positiva y los del plato exterior adquieren carga

negativa. De igual forma, todos los sectores de la mitad inferior del plato

interior adquieren carga negativa y el plato exterior adquiere carga

positiva. Es evidente que para cualquier instante medio plato y la mitad del

opuesto estará igualmente cargados (positivamente o negativamente).

C recibe cargas positivas y series negativas en c. cuando un sector cargado

positivamente roza con el peine induce carga negativa. Esta carga negativa

inducida es pronto conducida hacia el electrodo S. dejando el peine que

pronto esta descargado hasta que se vuelva a cargar por la acción de

inducción. De igual forma con la carga negativa.

Cuando los electrodos de descarga están en contacto con las jarras de

Leyden, se almacenan las cargas en las jarras hasta que hay un potencial

suficiente para cruzar los electrodos en forma de una chispa. Cada rotación

del disco genera mayor carga. Por ello, la carga se acumula

exponencialmente hasta que llega al ratio en el cual la carga se deposita en

la jarra de Leyden es igual al ratio de fuga de carga de los condensadores y

de los electrodos.

Cuando las jarras de Leyden están conectadas se aumenta la capacidad de

descarga de los electrodos por ello la cantidad de carga que acumulan las

esferas resulta acumulada. Cuando no estén conectadas las jarras de

Leyden las chispas producidas serán más frecuente pero menos intensas.

Con las jarras conectadas, la frecuencia de las chispas decrece (se requiere

más tiempo para acumular carga) pero la intensidad de la chispa aumenta.

La energía de las cargas producidas y almacenada en los electrodos de

descarga en forma de potencial eléctrico y después dará una chispa en el

aire, se deriva de la energía o trabajo mecánico del movimiento de los

platos. Se tiene que realizar más trabajo en la rotación de los platos cuando

están cargados en comparación a cuando no están cargados, el trabajo

aumenta con la acumulación de cargas. El exceso de trabajo se trasforma

en energía eléctrica.

La distancia entre las esferas de los electrodos de descarga donde saltara

la chispa depende de las condiciones ambientales y del diámetro de las

esferas. Se da una aproximación del potencial eléctrico entre las dos

esferas. La siguiente tabla muestra la diferencia entre dos esferas idénticas

variando los diámetros se ve que corresponde a valores distintos de

potencial para la chispa. La separación mínima entre dos esferas idénticas

de distinto diámetro para distintos valores de potencial eléctrico sin chispa.


Utilizando el generador electrostático Esta máquina está lista para utilizarse excepto por la manivela. Antes de

ponerlo en marcha, pon la manivela en el eje central de las poleas inferiores

de plástico y siga el procedimiento.

1. Coloca las esferas de los dos electrodos de descarga

simétricamente cerca del centro del plato, a unos 25mm.

2. Ajusta las varillas (las que tienen los cepillos o cable rozando los

platos) para que tengan un ángulo de 45 con las horizontales.

Asegúrate de que los cepillos estén continuamente rozando los

sectores de aluminio cuando gire el plato.

3. Ajusta las dos manivelas para que estén a 10mm de sus respectivos

electrodos de descarga. En este caso, no habrá contacto eléctrico

directo entre los electrodos de descarga y la jarra de Leyden.

Cuando giran unos segundos los platos, se oirá un sonido por la

transferencia de carga desde la jarra de Leyden hacia sus

respectivos electrodos de descarga.

4. Mueve las dos manivelas para tocar sus respectivos electrodos de

descarga, para que la jarra de Leyden haga contacto eléctrico

directo con los electrodos. Rota los platos a gran velocidad.

Observaras un sonido y una chispa de un electrodo a otro. Si la

rotación de los platos es continua esta chispa se observara en

intervalos regulares de tiempo. Esto es porque las jarras de Leyden


se están cargando continuamente con la carga opuesta y con alto

potencial eléctrico acumulándose entre estos dos electrodos de

descarga resulta en el chisporroteo del aire entre los electrodos y

la formación de la chispa.

La formación de la chispa indica que el generador funciona.

DISTINTOS EXPERIMENTOS Y DEMOSTRACINOES

UTILIZANDO EL GENERADOR

Experimento 1: medida del potencial entre dos esferas de

electrodos de descarga

- Ponga el generador en marcha como se ha descrito con los

electrodos a una distancia de 10mm.

- Gradualmente aumenta la distancia entre los dos electrodos y

observa la formación de la chispa entre ellos.

- Anote la separación máxima entre ellos a la que no se produce

chispa. Esta distancia te da aproximadamente el potencial

eléctrico entre los dos electrodos.

Potencial eléctrico (en voltios) = 30,000 (longitud de la chispa

en cm).

Se requiere un potencial de 30,000V para hacer saltar la chispa

a una distancia de 1cm en aire seco. En el caso de aire húmedo,

el valor desciende dependiendo del valor de humedad

absoluta del agua porque el agua es conductora de electricidad

por ello permite ver el chisporroteo más fácilmente. El

generador puede producir chispas de 3-4 cm.

Experimento 2: estimación de la energía eléctrica generada por

el generador.

La energía mecánica utilizada para poner en marcha el aparato se

convierte en energía eléctrica en forma de potencial eléctrico entre dos

electrodos de descarga. Cuando se forma la chispa, la misma energía

ioniza el aire por el que pasa la chispa. La energía se convierte en

energía luminosa y energía sonora al formarse la chispa. El potencial

eléctrico puede ser determinado como se ha descrito antes. Para

determinar la corriente a través del electrodo de descarga conecta un

micro amperímetro en los dos electrodos de descarga a una distancia

a la que no se forme chispa. Anota la corriente máxima.

Energía generada (en Vatios) = potencial eléctrico (en voltios) corriente

(en amperios).

También se puede hallar la resistencia interna.

Resistencia (Ohms) = potencial eléctrico (en voltios) /corriente eléctrica

(en amperios).

Experimento 3: Determinación de la polaridad de los electrodos

del generador.

Carga un electroscopio a través de cualquiera de los electrodos de

descarga del generador, el cual puede ser observado desde la

divergencia de las hojas del electroscopio.


Frote una varilla de ebonita con un paño de lana. Tendrá carga

negativa. Si las hojas del electroscopio divergen más indica la presencia

de carga negativa en el electrodo de descarga del generador. La

convergencia de las hojas del electroscopio implica la neutralización de

la carga en ellos por carga negativa de la varilla de ebonita, indicando

la presencia de carga positiva en el electrodo de descarga. De igual

forma para el otro electrodo.

De la misma forma, la determinación de la polaridad o naturaleza de

carga eléctrica de los electrodos de descarga del generador se puede

realizar utilizando una varilla de vidrio frotada con paño de seda.

Experimento 4: demostración del viento eléctrico. Conecta un alambre puntiagudo a cualquiera de los electrodos de

descarga y coloca una vela a una distancia corta. Poniendo en marcha

la maquina se verá que la llama de la vela es desviada como si se

soplara. Esto es debido al viento eléctrico que fluye lejos del alambre.

El viento eléctrico se produce por la alta densidad de carga en el final,

el cual hace que se ionice el aire y este aire es soplado como resultado

de la fuerza de repulsión entre las partículas de aire cargadas.

Experimento 5: demostración de la presencia de cargas positivas

y negativas. Si en el paso anterior, la vela se pone cerca del punto final del viento y

se pone en marcha la máquina, no se observa que la llama se desvié.

La carga presente en el cable atrae la carga opuesta y repele la misma.

En caso de un cable cargado positivamente, la carga positiva de la llama

se dibuja hacia ella mientras que la parte de la llama con carga negativa

es repelida lejos. Esto demuestra la presencia de los dos tipos de carga

en la llama.

En el experimento anterior la vela estaba en comparación más lejos del

final del cable que en este caso, y la deflexión de la llama no es debido

a la repulsión entre el alambre cargado y la llama sino debido al tiro

creado por las acciones puntuales en los iones en el aire entre el

alambre y la llama.

Precauciones de uso 1. Si hay mucha humedad no utilizar la máquina.

2. Todas las partes de la maquina tienen que ser limpiadas y

secadas cuidadosamente para obtener resultados óptimos.

3. Los cepillos tienen que estar continuamente tocando los platos

cuando estén girando.

4. Los mejores resultados se obtienen cuando las varillas de

neutralización están a un ángulo de 45 con la horizontal y

aproximadamente en ángulo recto entre ellas.

5. Cualquier grieta en las jarras de Leyden hacen que no se pueda

utilizar el equipo.

6. Después de utilizarla, tiene que descargarse poniendo los

electrodos de descarga juntos y con las jarras de Leyden

conectadas a ellos.

7. no tocar ninguna parte de metal del aparato cuando se está

utilizando. Solo se pueden tocar cuando no esté en uso. De

todas formas hay que mantener una distancia de seguridad

para evitar riesgos por el salto de la carga.


Accesorios adicionales Para poner distintos accesorios con el generador se pueden conectar a

este a través de dos enchufes de 4mm proporcionados en el pivote de

la bola final del electrodo utilizando enchufes tipo banana de 4mm.

Cuando el generador esté conectado a alguno de los accesorios

haciendo un circuito eléctrico externo, los electrodos de descarga

tienen que estar separados para evitar la descarga de una chispa.

1. Pluma eléctrica: la pluma eléctrica es un conjunto de cintas de

colores fijadas en una pequeña varilla de metal que se puede

montar en la parte superior del soporte aislante. Conectarlo a

cualquiera de las bolas terminales de los electrodos con un

conector. Cuando el generador está funcionando a suficiente

velocidad, la carga eléctrica se transfiere a la pluma a través del

cable de conexión. Las cintas de colores empiezan a repelerse y

extenderse.

2. Cabeza de pelo: la cabeza de pelo es un cepillo de pelos montados

sobre una varilla de metal pequeña que se puede montar en la

parte superior del soporte aislante. Conecta el generador como en

el caso anterior. Una vez encendido, el pelo comenzara a repelerse

y ponerse de pie en su extremo. Esto es por la transferencia gradual

de cargas eléctricas desde el generador hasta el pelo que se

extiende y se pone de punta.

3. Giro eléctrico: el giro eléctrico se compone de radios metálicos

dispuestos de manera circular montados sobre un soporte. Los

radios del giro eléctrico están doblados en el extremo en forma de

L y sus puntas son puntiagudas. El soporte tiene dos postes de

metal que se utilizan para poner dos bolas de electrodo como se

muestra en la figura. Los electrodos están conectados a través de

cable de conexión a la bola terminal del electrodo del generador.

Puesto en marcha los radios empiezan a girar.

4. Bola de carreras: en este accesorio, la bola aislante se pone entre

el platillo de metal y el disco metálico tiene dos enchufes para

conexión eléctrica de 4mm uno de ellos encima y otro debajo. El

conjunto está montado sobre un aislante. Conecta una de las bolas

terminales al enchufe en la parte superior de este accesorio y la

otra conéctala al enchufe de la parte inferior con cables de

conexión como se muestra en la figura. Asegúrate de que la bola

está en una posición horizontal. Cuando pongas en marcha el

generador se observara que la bola empieza a rodar y moverse

continuamente con velocidad creciente a lo largo del borde

doblado de la bandeja inferior. Se necesita un ligero empujón para

comenzar el movimiento de la bola.

La conexión eléctrica entre una de las bolas terminales del

electrodo y el plato de la bola en rotación hace que se cargue el

plato. Suponemos, que el plato adquiere carga negativa y que la

bandeja inferior adquiere carga positiva desde el generador. Esto


hace que la superficie superior de la bola este cargada

negativamente, desde que está en contacto con el plato inferior.

De igual forma la bandeja inferior carga su superficie inferior de la

bola aislante con carga positiva. Como resultado, las cargas que

residen en los el plato inferior y superior de la bola, y también la

bandeja inferior y superior empiezan a repelerse y como resultado

la bola rueda. Mientras rueda la parte inferior de la bola cargada

negativamente está en contacto con la inferior cargada

positivamente de la bandeja y obtiene carga positiva por perdida

de electrones. De forma similar, la porción inferior cargada

positivamente en contacto con la superior adquiere carga negativa

cogiendo electrones del plato. Esta pérdida y ganancia de

electrones por la porción superior o inferior de la bola aislante hace

que gire continuamente.

5. Cilindro hueco. El cilindro hueco es un cilindro metálico montado

horizontalmente en su soporte aislante. Encima, tiene una bola de

metal, montada sobre una varilla metálica, la cual está fijada

verticalmente sobre el cilindro. De la bola metálica están

sostenidas cuatro bolas de tal manera que dos están suspendidas

dentro del cilindro y dos están fuera del cilindro.

Se carga conectando la bola superior a cualquiera de los

terminales, se observara que las bolas que están dentro no se

afectan pero si las exteriores que se repelen lejos del cilindro. Esto

es porque todas las cargas que coge el cilindro se mantienen en la

superficie exterior de este. La carga en la superficie externa del

cilindro carga las bolas con la misma carga y por ello son repelidas.

Mientras no hay carga dentro del cilindro, las bolas de su interior

están sin alteraciones.

6. Placa de iluminación: la placa de iluminación consiste en pequeñas

hojas metálicas dispuestas en zig-zag sobre una placa de

iluminación de tal forma que no se toquen entre ellas, con

espacios, como se muestra en la figura inferior. Tiene dos

terminales de conexión, se conectan las dos hojas.


7. Tormenta de volta. El aparato de tormenta de volta consiste en un

cilindro no conductivo transparente (Perspex). Los dos lados del

cilindro están cubiertos con una taza de metal que se puede quitar

fácilmente. El aparato puede instalarse sobre el soporte aislante y

tiene enchufe de 4mm encima y debajo para conexión eléctrica.

Para la demostración de la tormenta de volta se pone una bola

dentro del cilindro de manera que cubren solamente la superficie

de las tapas y no se apilan una encima de otra. Móntalo en el

soporte aislante y conecta la parte inferior y superior del aparato a

la bola terminal del electrodo con el cable de conexión como se

observa en la figura. Cuando se pone en marcha las bolas empiezan

a subir y bajar rápidamente dando una impresión de una tormenta.

En este caso, la carga eléctrica de la bola terminal del electrodo

carga el aparato conectado. Asumimos que la tapa inferior está

cargada negativamente y la superior positivamente. Esto resulta en

la acumulación de carga negativa en las bolas. La repulsión entre

cargas parecidas y la atracción por la carga positiva en la tapa

superior hace que las bolas suban, donde las bolas pierden el

exceso de electrones a través de la tapa superior y regresan. Este

proceso se produce en bucle.

8. Bombilla de neón: cuando una bombilla de neón, montado en una

barra aislante, esta cerca de los electrodos cargados del generador.

Esto es debido a la pequeña corriente que pasa a través del aire

ionizado en los electrodos que a su vez es recibido por la bombilla

de neón.

9. Campana eléctrica: la campana eléctrica consiste en tres gongos de

metal dispuestos paralelos a los otros con dos borlas entre ellos

suspendidas como se muestra en la figura. El gongo de la izquierda

y derecha están conectados a un metal conductor con ayuda de un

cable, y el del centro está montado sobre una barra aislante de


forma que no tenga la misma carga que los otros dos gongos. En el

medio de los gongos hay un cable de metal delgado, tiene dos

brazos en la parte superior mediante los cuales están suspendidos

las borlas. En la parte superior tiene una toma de conexión

eléctrica, las dos bolas y el gongo del centro pueden tener la carga

opuesta que el de la derecha o izquierda. Está montado sobre un

soporte aislante para la demostración.

Conecta la parte superior e inferior del aparato con las dos bolas

terminales de los electrodos del generador. Una vez puesto en

marcha el generador, las borlas de metal empezaran a oscilar entre

los gongos y en el proceso se golpearan produciendo un sonido.

En ese caso, la carga eléctrica de la bola y los electrodos cargan la

parte superior e inferior del aparato porque están conectados. Las

conexiones inferiores de los gongos izquierdo y derecho tienen una

carga similar, mientras que en la carga superior el gongo del medio

tiene la carga opuesta. Asumimos que el gongo centra l está

cargado negativamente y los otros dos positivamente. Las dos

borlas de metal también adquieren carga negativa por inducción.

También las borlas son repelidas por el gongo central y atraídas por

el derecho y el izquierdo. Este proceso continua para hacer sonar.

10. Cilindro giratorio: consiste en un cilindro de plástico transparente

con una tapa de plástico en la parte superior. La tapa de plástico

tiene una pieza de metal con un agujero en el centro. El cilindro

está montado en un soporte giratorio.

Pon en marcha el generador para obtener suficiente descarga en la

bola y electrodos. Mueve la bola terminal de los electrodos a parte

de su posición para no tener descarga. Poniendo el cilindro en el

soporte giratorio comienza a girar.

La carga de la bola terminal del electrodo ioniza el aire. Cuando ya

está rotando, la porción del cilindro más cercana al electrodo se

carga por la inducción con la misma carga. Como resultado, hay

repulsión y se mueve a otra posición en el proceso de perdida de

carga. Este proceso continua y por eso rota el cilindro.


WIMSHURST ELECTROSTATIC MACHINE

WIMSHURST ELECTROSTATIC MACHINE ................................................... 13

Items included ........................................................................................... 14

Oher items required .................................................................................. 14

Introduction ............................................................................................... 14

Theory ........................................................................................................ 14

DIFFERENT EXPERIMENTS AND DEMONSTRATIONS USING WIMSHURST

ELECTROSTATIC MACHINE......................................................................... 18

Experiment 1: measurement of electric potential between the two

discharge sphere electrodes ................................................................. 18

Experiment 2 : estimation of electrical energy generated by wimshurst

machine. ................................................................................................ 19

Experiment 3: determination of polarity of electrodes of the Wimshurst

machine ................................................................................................. 19

Experiment 4: demonstration of electric Wind ..................................... 19

Experiment 5: demonstrating the presence of both negative and

positive charges in a flame. ................................................................... 20

Precautions ................................................................................................ 20

ADDITIONAL ACCESSORIES FOR WIMSHURST ELECTROSTATIC MACHINE 21


Items included Wimshurst electrostatic machine

User instructions

Oher items required 1. Electroscope

2. Gas discharge tubes

3. Microammeter

4. ElectricWhirl

5. Candle

6. Pointed conductor

7. Ebonite or glass rod

8. Woolen or silk cloth

Introduction Wimshurst electrostatic machine or generator is a device to produce high

voltages, which operates on the principle of electrostatic induction and is

primarily used for electrostatic demonstrations. This machine was first

developed by Mr. James Wimshurst in the year 1878 and hence is named

after him.

The electrostatic generators can be used for the various demonstrations,

viz, to operate X-ray tubes, cathode ray tubes and almost all types of

vacuum or gas discharge tubes to deflect the flame of a candle burning near

a pointed electrode at a high electric potential or between the plates of a

charged capacitor; to ignite a dust or ethanol vapor explosion with the

spark from this machine; to drive an electrostatic motor or a pinwheel with

corona; to ring a set of chimes consisting of a metal ball suspended with an

insulated thread between two bells at opposite electric potential; to

separate a mixture of salt and pepper; to precipitate smoke from the air…

Theory The working of a wimshurst electrostatic generator is based on the

principle of electrophorus. In an electrophorus the disc has to be lifted

repeatedly, a number of times so that the electric charge builds up on the

surface of disc with each lifting.

The same is achieved in wimshurst machine as discussed below.

In a wimshurst machine two sets of conductors are used, which rotate in

opposite direction with respect to each other. The electrical charge on one

set of conductors is used to produce electrical charge on the other set of

conductors. The schematic representation of Wimshurst electrostatic

generator is shown in the figure 1.

A pair of circular acrylic plates (P and Q) both of same diameter, is mounted

co-axially parallel to each other. These plates rotate in opposite directions

with respect to each other about horizontal axis with the help of belt and

pulley arrangement. The shaft on which, acrylic plates are mounted also

has a pair of two small pulleys on its either side which are driven through a

pair of driving pulleys located exactly below the smaller pulleys. The shaft

of bigger pulleys has a handle for rotating pulleys. A continuous rubber belt

connects the two bigger pulleys to the respective smaller pulleys, with one

belt having twist, so that on rotating the handle, rotation of one plate is in

the direction opposite to the other. An equal number of metal foil strips

are cemented radially and symmetrically along the rim of both the plates


on their outer surface. It is very important that the number of metal foil

strips pasted on each plates on their outer surface. It is very important that

the number of metal foil strips pasted on each plate must be multiple of 3

and at the same time, must also be equal.

In the figure 1, plates have been depicted in the form of two concentric

circles algong with the other connections and the metal foil sectors have

been shown as small black rectangles.

Two U-shaped metal wires (C and C) with brushes at both the U-ends are

mounted horizontally at each end of the plates, diametrically opposite one

another in such a way that they continuously rub against the metal foil

sectors mounted on both the plates, when these plates rotate in either

direction. The metal wires collect the charge on the metal foil sectors and

transfer to the ball end electrodes (s and S). Both the ball end electrodes

are insulated from each other and the accumulated charge can be

discharged through an electric spark between them. Both the electrodes

are adjustable and distance between these two can also be altered by

moving either of them through the insulated handle provided. The

discharge between two electrodes depends on the electric potential build-

up between the two electrodes and the radial separation between the two

spheres.

Facing both the plates and on either side of the Wimshurst plates, two

insulated metal rods terminating in metal wire brushes, and inclined at

about right angles with respect to each other are mounted on the axle of

rotation of each plate. Both these insulated rods make an angle of about

45 to the horizontal and function as neutralizing brushes by distributing the

charges to the metal foil sectors on rotating plates. On the wooden base of

the machine, two Leyden jar capacitors are mounted upright position, and

each Leyden jar is connected to one of the discharge electrodes through a

pair of metallic levers having insulated handles. This is achieved by bringing

the metallic levers in contact with the shaft of discharge electrodes.

The Leyden jar capacitors consist of small plastic cup sandwiched between

two aluminium cups height of both the aluminium cups is smaller than that

of plastic cup but is approximately equal to each other. On the outer

surface of outer aluminum cup, protective insulated sheet is pasted that

minimizes the leakage of charge and provides insulation. These Leyden jars

are capable of storing electric charge up to high potential with minimal

losses and without electrical breackdown. All the positive contacts

between Leyden jar capacitors, discharge terminals, insulated handle

etc…are through a thick transparent acrylic sheet which supports axle of

acrylic plates, shafts of discharge electrodes and insulated handles about

which they are rotated and Leyden jar capacitors. It also provides good

electrical insulation between each of these components even at high

electric potential.


Operating principle

Let the machine be operated such that the front plate rotates

anticlockwise, while the other plate rotates in clockwise direction. Let us

assume that one end of the metal foil sector possesses a slight charge,

which is usually the case and is necessary as well as sufficient to start the

working of machine. Suppose the metal sector F has a slight negative

charge and both the plates are rotated.

When F is in position D, the presence of negative charge in this metal sector

will induces a positive charge on the metal sector on the other plate, just

opposite it, which is in contact with the end A of the neutralizing rod. The

neutralizing rod, in turn, induces a negative charge on the metal sector in

contact with the brush at its other end A. since the plate is in continuous

rotation, contact between the two sectors at A and A through the

neutralizing rod breaks thereby, retaining the electrical charges induced in

them. When the sector which was A, reaches E , it induces negative charge

on the sector in contact with B. this in turn induces positive charge on the

sector in contact with the end B of the other neutralizing rod. The negative

induced charge on the B move clockwise and reaches the position D,

thereby repeating the procedure with the rotation of discs. Since, these

sectors are continuously in rotation, they periodically, also rub against the

combs C and C, thereby transferring all the charge to them. As a result,

negative charge at D is lost at C, while the positive charge at D is lost at C.

in the similar way, since inner plate is rotating in opposite direction, the

positive charge at A is lost to C whereas, the negative charge at A to C. this

makes C positively charged and C negatively harged. This continues and

accordingly, all metal sectors of both the plates get charged since different

sector combinations are formed involving each and every sector on the two

plates, owing to their continuous rotation and getting charged by the

process of induction, as discussed above. Gradually all the sectors on the

upper half of inner plate acquires positive charge and that of outer plate

acquires negative charge. Similarly, all the sectors on the lower half of inner

plate acquire negative charge and that of outer plate acquires positive

charge. As is evident, at any given instant of time, one half of any plate and

opposite half of the other plate are similarly charged.

Consequently a series of positive charges is received at C and a series of

negative charges at C. when a positively charged sector enters the comb C,

it induces a negative charge on the comb. This negative induced charge on

the comb is soon discharged from the point and neutralizes the sector and

charge is conducted to the discharge sphere electrode S. on leaving the

comb, each sector becomes uncharged and remains so, until charged again

by the inductive action as discussed above. In the similar way, negative

charge is collected by com C and communicated to the discharge electrode

S.

When the discharge electrodes are in contact with Leyden jar capacitors,

charges get stored in them until sufficient potential difference develops

across the two discharge electrodes and discharge takes place in the form

of electric spark jumping from one discharge electrode to other. Each

rotation of the two discs causes larger charges to be induced on the sectors,

because increase in the charge on electrodes causes the induced charge in

the sectors to increase. Therefore the charge on electrodes causes the

induced charge in the sectors to increase. Therefore, the charge builds up

exponentially until the rate at which charge is being deposited on the

Leyden jar capacitors is equal to the rate at which charge leaks off the

capacitors and discharge electrodes.


The Leyden jar capacitors, when connected, increases the capacity of

discharge electrodes so that the larger quantity of charge can accumulate

on the spheres resulting in build up of larger electric potentials without any

electrical breakdown. Hence with Leyden jar capacitors not connected to

the discharge electrodes, sparking produced will be more frequent but less

intense. With the Leyden jars connected, frequency of sparking decreases

but the intensity of spark increases.

The energy of the charges produced and stored in the discharge electrodes

in the form of high electric potential and subsequently leading to the spark

formation through air, is derived from the mechanical work done in moving

the oppositely charged vectors away from each other. More work has to be

done in rotating the plates when they are charged as compared to when

they are uncharged, it increases with the accumulation of charges. The

excess of work done is transformed into electrical energy.

The distance between spheres of two discharge electrodes over which

spark will jump, depends on the ambience conditions and the diameter of

two spheres. It also gives a close approximation of the electric potential

between the two spheres. The following table shows the gap between two

identical spheres of varying diameters corresponding to different values of

electric potential between them for electrical breakdown.

Minimum separation in cm between two identical spheres of different

diameters for different values of electric potential without electrical

breakdown.

Operating the wimshurst electrostatic generator

This machine is ready for use except for the crank handle. Before operation,

screw this handle on to the central axle of the lower plastic pulleys and


follow the procedure given below.

1. Position the spheres of both the discharge electrodes

symmetrically near the center of plate, so that they are about

25mm apart.

2. Adjust both the l-shaped wire brushes or neutralizing rods on

either side of plates such that they make an angle of about 45 with

the horizontal and are almost mutually perpendicular to each

other. Also, ensure that the metal sectors by rotating the plates

slowly.

3. Adjust both the lever handles so that they are about 10mm apart

from the respective shafts of discharge electrodes. In this case,

there will be no direct electrical contact of discharge electrodes

with Leyden jar capacitors. On rotating the plates for few seconds

using handle you will observe a crackling sound due to the transfer

of charge Leyden jar to the shafts of respective discharge

electrode.

4. Move both the lever handles so as to touch the respective shafts of

discharge electrodes in order to bring Leyden jar capacitors in

direct electrical contact with the discharge electrodes. Rotate the

plates by rotating handle speedily. You will observe a crackling

sound along with the spark jump from one discharge electrode to

the other. On continuous rotation of the plates, this spark

formation will be observed at fairly regular time interval. This is due

to the continuous charging Leyden jar capacitors with the charges

opposite to each other and very high electric potential builds up

between the two discharge electrodes resulting in the breakdown

of air between the electrodes and subsequent discharge through

spark formation.

The spark formation indicates the working of Wimshurst electrostatic

generator. If the generator does not work, follow the precautions

enumerated at the end.

DIFFERENT EXPERIMENTS AND DEMONSTRATIONS

USING WIMSHURST ELECTROSTATIC MACHINE

Experiment 1: measurement of electric potential between the

two discharge sphere electrodes

1. Operate the Wimshurst electrostatic generator as discussed above

with the distance between both the discharge electrodes to be

about 100mm.

2. Gradually increase the distance between the two electrodes using

insulated handles and observe the formation of spark between the

two.


3. Note the maximum separation between the two beyond which no

spark formation takes place. This distance gives close

approximation of electric potential between the two electrodes, as

described below.

Electric potential ( in volts)= 30,000 length of spark gap in cm

Electric potential of about 30,000V is required to make the spark

jump across a distance of about 1 cm refer table 1, in dry air. In

case of humid air, this value decreases depending on the value of

absolute humidity of air, since water being conductor of electricity

leads to electrical breakdown of air more easily. The machine can

easily produce spark lengths of 3-4cm.

Experiment 2 : estimation of electrical energy generated by

wimshurst machine.

The mechanical energy used to operate the machine is converted into

electrical energy in the form of electric potential across the two discharge

electrodes. When the spark formation takes place, the same energy is used

in ionizing the air molecules through which spark formation takes place.

This energy is converted in the form of light energy and sound energy of

spark. Electric potential can be determined as described in the previous

experiment. For determining the current through the electrical discharge,

connect a sensitive micro-ammeter across the two discharge electrodes of

the machine and ensure that they are distant enough to prevent any spark

formation. On operating the machine, note the maximum current that

flows through the micro-ammeter at any particular in stant of time. A close

approximation of the power generated can be made from this.

Power generated in watts= electric potential in volts current in amperes.

From the above value of current, internal resistance or thevenin equivalent

resistance can also be estimated.

Resistance Rin Ohms electric= potential in volts/ electric current in

amperes.

Experiment 3: determination of polarity of electrodes of the

Wimshurst machine Charge an electroscope through any of the charged discharge electrodes of

Wimshurst machine, which can be observed from the diverging of leaves of

the electroscope. Rub an ebonite rod with woolen cloth. It will acquire

negative charge. On touching the electrode of microscope, if the leaves of

electroscope diverge more, it indicates the presence of negative charge on

the discharge electrode of the machine. Whereas, the convergence of

leaves of electroscope implies the neutralization of charge on them by the

negative charge of ebonite rod, thus indicating the presence of positive

charge on the discharge electrode. Similarly, nature of charge on the other

discharge electrode of the machine can also be determined.

In the similar way, determination of polarity or nature of electric charge on

discharge electrodes of the machine can also be made by using glass

rubbed with slik cloth (which acquires positive charge and opposite

behavior will be observed).

Experiment 4: demonstration of electric Wind

Connect a sharp pointed wire to any of the discharge electrodes of the

Wimshurst machine and place a burning candle a short distance away from

its pointed end. On operating the machine, it will be observed that the

candle flame is deflected as if blown by the draught. This is due to electric


wind streaming away from the pointed end of the wire. The electric wind

is produced because of very high charge density at the pointed end, which

leads to the ionization of the surrounding air and this air is blown as a result

of force of repulsion between similarly charged particles of air.

Experiment 5: demonstrating the presence of both negative and

positive charges in a flame.

If, in the previous setup, the burning candle is placed very close to the

pointed end of wire and machine is operated, flame is not observed to be

deflected as if by draught. In this case, the flame will be observed to be

drawn out in both the directions, one towards the flame and other away

from the flame.

Here, the charge present in the wire attracts opposite charge and repels

similar charge. As a result, in case of positively charged wire, the positive

charge of the flame is drawn towards it whereas the negatively charged

part of the flame is repelled away from it. Thus, it indicates the presence of

both types of electrical charges in a burning flame.

Please note that in the previous setup, burning candle is comparatively

away from the end of wire than in this setup and the deflection in flame is

not due to repulsion between charged wire and flame but due to draught

created by the point actions on ions in the air between wire and flame.

Precautions 1. This machine should not be operated in high humidity.

2. All parts of the machine should be carefully and thoroughly cleaned

and dried before use, for best results.

3. Brushes of both, combs and neutralizing rods should be

continuously touching the respective plates, when the plates are

rotated. If not adjust them accordingly. In case they are worn-out

due to regular use, trim their ends slightly to ensure clean metal

surface contact.

4. Best results are obtained when the neutralizing rods are at an angle

of about 45 to the horizontal and approximately at right angle with

respect to each other. If the machine only operates by rotating

handle in one direction, this is either due to the improper position

of neutralizing rods or because the belts are incorrectly attached.

5. Any physical crack in the Leyden jar capacitors of the machine will

result in improper functioning of the machine. They should,

therefore, be examined carefully before operating the machine to

ensure the conductivity of Leyden jars capacitors.

6. After operation, the machine should be completely discharged by

bringing the two discharge sphere electrodes in contact with each

other, with the Leyden jar capacitors connected to them through

the lever handles.

7. No metal part of the machine is to be touched, when in operation.

They should be touched only after it has stopped operating and has

been discharged completely. At the same time, safe distance

should be maintained from the metal parts to avoid risk of electric

shock due to jumping of charge through insulations or air because

of high electric potential.


ADDITIONAL ACCESSORIES FOR WIMSHURST

ELECTROSTATIC MACHINE For operating different accessories with Wimshurst Electrostatic generator,

they can be connected to the generator through two 4mm sockets

provided at the pivot of ball end electrodes using connecting leads having

4mm banana plugs. When the generator is to be connected to any of the

accessories in a external electrical circuit, both the ball ends of discharge

electrodes should be sufficiently far away to prevent the discharge through

spark formation between them.

1. Electric plume: electric plume is a set of colored ribbons fixed on a

small metal rod that can be mounted on top of the insulating stand.

Connect it to any of the ball ends electrodes with a connecting lead.

When the generator is operated by rotating the handle at a

sufficiently high speed, the electric charge is transferred to the

plume via connecting lead, the ribbons to the plume also acquire

electric charge similar to that of the ball and electrode to which it

is connected. Thus the ribbons on the plume will start repelling

each other, resulting into the spreading out of the ribbons.

2. Head of hair: head of hair is a bunch of hairs mounted on a small

metal rod that can be mounted on top of the insulating stand.

Connect it to the generator as in case of electric plume. On

operating the generator, hair will be observed to repel each other

and stand on its end. This is due to the gradual transfer of electrical

charge from generator, which in turns charges the head of hair.

Repulsion of like charges in the hair results in their spreading out

and stand on its end.

3. Electric whirl: the electric whirl consists of metal spokes arranged

in circular fashion mounted on a stand. The spokes of the electric

whirl are bent at the end of the form of land their tips are pointed.

The electric whirl assembly is mounted on the stand with a pointed

spike. The stand has two metal posts that are used to mount two

smaller ball electrodes. These electrodes are connected to the ball

end electrodes of generator with connecting leads. On operating

the generator, the spokes of the wheel star rotating in such a way

that the direction of rotation of the spokes in way from the bent

pointed ends of the spokes.

In this case, the transfer of electric charge from generator charges

the ball electrodes on the stand, which in turn, ionizes the air. The

also charge the bent pointed end of spokes through induction. The

bent ends of the spokes being pointed have very high charge

concentration. Since, like charges repel each other, a force of

repulsion sets up at the tip of the wheel, which results in their

rotation. Therefore, the direction of rotation of spokes is away

from the pointed ends of the spoke.

4. Racing ball: in this accessory, an insulating ball is placed between a

metallic pan and a metallic disk and has two 4mm sockets for

electrical connection, one each at its top and bottom. The


complete assembly is mounted on the insulating stand. Connect

one of the ball and terminal to the socket at the top of this

accessory and the other electrode to the socket at the bottom of

accessory with connecting leads. Make sure that the racing ball

assembly is a horizontally level position. On operating the

generator, it will be observed that the ball gradually starts rolling

and starts moving continuously with higher speed, along the ben

trim of the lower pan. A slight push may be required to start the

motion of ball.

5. Here, the electrical connection between the one of the ball and

electrode and the top plate of racing ball assembly makes the plate

charged. Let us suppose, the top plate acquires negative charge

and lower pan acquires positive charge from generator. This makes

the top surface of the ball negatively charged, since it is in

continuous contact with the upper plate. Similarly, the lower pan

charges bottom surface of the insulating ball with positive charge.

As a result the like charges residing on both the upper plate and

the top of the ball, and similarly on the lower pan and bottom of

the ball start repelling each other, which results in the rolling of the

ball. As it rolls the upper negative charged portion of ball comes

into contact with the positively charged lower pan and acquires

positive charge on loosing electrons. Similarly, the lower positively

charged portion comes in contact with upper plate where it

acquires negative charge by taking electron from the plate. This

loss and gain of electron by the upper/lower portion of insulating

ball goes on making it roll continuously.

6. Hollow cylinder. Hollow cylinder is a metallic cylindrical shell

mounted horizontally on the insulating stand. On the top, it has a

metal ball mounted on a metallic rod, which is fixed vertically over

the hollow cylinder. From the metallic ball are hung four pith balls

in such a way that the two are suspended inside the hollow cylinder

and two above the outside cylinder.

If the assembly is charged by connecting its top to either of the ball

and terminals, it will be observed that the balls inside the hollow

cylinder remain unaffected, whereas the one outside are repelled


away from the cylinder. The charge on the outside surface of the

hollow cylinder charges the pith balls with the similar charge and

hence, are repelled away from each other. Whereas, since there is

no charge inside the hollow cylinder, the pith balls inside the

cylinder remain unaffected.

7. Lightening plate: lightening plate consists of small metallic leaves

spread in zig zag fashion on an insulating plate in such a way that

there is a small gap between each leaf placed adjacent to the other.

It has two connecting terminals, connected to the two leaves at

each end of the plate

If one end of the plate is connected to one of the ball end

electrodes and other end to the other electrode of generator and

the generator is operated, sufficient electric potential builds. It

results in the production of small arcs across the gaps of the each

adjacent leaf. This happens because the flow of electric charge

takes place through the shortest possible route with the least

resistance. It will also be observed that the intensity of spark is

uniform all along the length of the leaves on the lightening plate

and is not influenced by the width of the gap between the leaves.

8. Volta´s hailstorm: Volta’s hailstorm apparatus consists of a

transparent non-conductive cylinder. Both the ends of cylinder are

covered with a metal cap, which can be easily fixed or removed

using threads provided. The apparatus can be mounted on

insulating stand and has got 4mm socket at its top and bottom for

electrical connection.

For the demonstration of Volta´s hailstorm put pith balls inside the

transparent cylinder such that they cover only the surface of the caps

and are not stacked on top of each other. Mount it on the insulating

stand and connect bottom and top of the apparatus to the ball and

electrodes using connecting leads. On operating the generator, the pith

balls will be observed to dance up and down rapidly in a random

fashion giving an impression of a hail storm.

In this case the electric charge on the ball and electrodes charges the

respective caps of apparatus to which, they are connected. Let us

assume that the lower cap gets negatively charged and the upper one

gets positively charged. This results in the accumulation of negative

charge on pith balls. The repulsion between like charges and attraction

due to positive charge on the upper cap makes the pith balls to rise to


the top, where the pith balls loose the excess electrons through upper

cap and falls back. This process is repeated again and again leading to

the bouncing of pith balls, randomly.

9. Neon bulb: when a neon bulb, mounted on insulating rod, is

gradually brought closer to the charged ball and electrodes of the

generator, it will be observed to glow. This is on account of the

small current passing through the air ionized in the vicinity of

electrodes, which in turn, is received by the neon bulb.

10. Electric bell: electric bell consists of three metal gongs arranged

parallel to each other with two small metal bobs suspended by

insulating threads between them. The left and right metal gongs

are connected to the conducting metal rod with the help of thick

metal wire, and the middle gong is mounted on insulated rod

above conducting metal rod so that it does not get the same charge

as that on other two gongs. The middle gong carries a thick metal

wire at its center, which has two conducting arms at its top through

which metal bobs are suspended. At the top it has a provision for

electrical connection through which, both the balls and middle

gong can be charged with the opposite charge as that on the left/

right gongs. This complete assembly can be mounted on insulating

stand for demonstration.

Connect the top and the bottom of apparatus with the two ball-end

electrodes with connecting leads. On operating the generator, both the

metal bobs will start oscillating between metal gongs and in the

process strike them to produce the ringing of bells.

In this case, the electric charge on ball end electrodes charges the top

and bottom of apparatus to which they are connected. The lower

connections charges left and right metal gong with similar charge,

whereas connection at the top charges middle gong with opposite

charge. Let us assume that the middle gong gets negatively charged

and the other two gongs get positively charged. The two metal bobs

also acquire negative charge by induction.

As a result the bobs are repelled by the middle gong and are attracted

by right/ left gong where they strike the gong and loose the electrons

and return back to strike middle gong. This process continues to

provide ringing of bell.


11. Rotating cylinder: it consists of a transparent plastic cylinder with

a plastic cap at the top. The plastic cap has metal piece with a

pointed hole mounted at its center. The cylinder is mounted on

spike of electric whirl stand after removing whirl and small ball

electrodes and is free to rotate along vertical axis.

Operate the Wimshurst electrostatic generator to obtain sufficient

discharge through its ball end electrodes. Move the ball end electrodes

a little apart from this position so that there is no longer any discharge.

On bringing the cylinder mounted on pointed spike of electric whirl

stand near the region between two ball end electrodes, cylinder will

start rotating.

Here the charge in ball end electrodes ionizes the air. On bringing

rotating cylinder near ball and electrodes, the portion of cylinder

nearest to an electrode gets charged due to induction with the similar

kind of charge. As a result, it experiences repulsion and moves to bring

other portion of the cylinder near it and in the process loses it charge.

This process continues resulting in the rotation of cylinder.

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